淺談微噴灌設計在灌區節水配套改造工程中的實際應用

熊 璐,楊 梅

(畢節市勘測設計研究院，貴州 畢節 551700)

1 工程總體布置

產業園內目前種植的13.33 hm2葡萄為遮陰棚種植，計劃采用微灌技術灌溉。其中，3.33 hm2葡萄品種為玫瑰香，需要配套滴灌設施；10.00 hm2葡萄品種為巨峰，需要配套微噴灌設施。本次設計擬在水源旁邊新建一座提水泵站，敷設202 m長的DN125熱鍍鋅鋼管提水至園區東側山腰處的300 m3高位水池A。從高位水池A向正西方向敷設一根輸水管，主管負責提供200畝葡萄的灌溉用水，管道為De160PE100管。

2 微噴灌系統設計

2.1 參數確定

根據實際情況，微噴灌區種植的葡萄品種為巨峰，微噴灌面積有10 hm2。根據其種植方式、土壤質地要求，結合微噴灌工程設計標準，確定微噴灌工程設計參數如下。

根據《微灌工程技術標準》(GB/T 50485—2020)[1]及項目區經濟條件，微噴灌工程灌溉設計保證率取90%。葡萄設計耗水強度Ia=4.0 mm/d。微噴灌工程的灌溉水利用系數取0.90。標準GB/T 50485—2020推薦葡萄采用微噴灌時的土壤設計濕潤比P的范圍為40%～70%，取P=40%。根據作物及灌水方式確定計劃濕潤層深度，葡萄滴灌時的計劃濕潤層深度取H=0.4 m。適宜土壤含水量上下限分別為24.09%、20.52%(占干土重百分比)，土壤干容重為r=1.42g/cm3。

2.2 噴頭選擇

本次設計的微噴灌區規劃種植巨峰葡萄，由于植物莖葉細嫩，噴灌水打擊強度過大，易損傷作物，因此，宜選用霧化程度較高的中低壓強度噴頭，固定式噴灌系統采用全圓噴灑噴頭，按現有噴頭規格性能初步選擇旋轉式微噴頭。噴頭主要技術性能參數見表1：

表1 旋轉式微噴頭主要技術性能

2.3 設計灌溉制度

(1)最大凈灌水定額mmax。灌水定額按式(1)計算：

(1)

式中：mmax為最大凈灌水定額，mm；γ為土壤容重，g/cm3；z為計劃土壤層濕潤深度，cm；p為計劃土壤濕潤比，%；Qmax為適宜土壤含水量上限，%；Qmin為適宜土壤含水量下限，%；η為灌溉水利用系數，取0.9。

經計算，mmax為8.1 mm，換算為81 m3/hm2。

(2)設計灌水周期T。 葡萄設計耗水量Ia=4 mm/d，則灌水周期T采用式(2)～式(3)計算：

(2)

T≤Tmax

(3)

式中：Tmax為最大灌水周期，d。

經計算，Tmax為2.03 d，則T取2 d。

(3)設計灌水定額md。采用式(4)～式(5)計算：

md=T·Ia

(4)

(5)

式中：md為設計凈灌水定額，mm；m′為設計毛灌水定額，mm。

經計算，md為8 mm，m′為8.89 mm，換算為89.0 m3/hm2。

(4)一次灌水延續時間。 根據設計中選用的灌水器和毛管的布置方式，微噴灌區作物系統定點灌水延續時間采用式(6)計算：

(6)

式中：t為一次灌水延續時間，h；Se為灌水器間距，取3.5 m；S1為毛管間距，取3.5 m；qd為灌水器流量，取28 L/h。

經計算，t=3.89 h，取4 h。

(5)系統工作制度。 本系統采用輪灌的灌溉方式，微灌系統設計日工作小時數應≤22 h，本工程設計日工作小時數為10 h，則最大輪灌組數Nmax的計算見式(7)：

(7)

式中：Nmax為最大輪灌組數；td為日運行最大時數，h/d。

經計算，Nmax=5。

根據平面布置，按理想情況將葡萄微噴灌區分為5個輪灌組，葡萄微噴灌區共10 hm2，則每輪組灌溉2.00 hm2。

(6)灌水小區設計。根據輪灌組劃分情況，本次設計單個輪灌組葡萄種植面積為2.00 hm2，一個輪灌組為一個灌水小區，再根據地塊地形確定每個灌水小區分為多個灌水單元，每個灌水單元由1條支管控制。灌水小區設計流量偏差率為20%，微噴頭的流態指數為0.5，微噴頭設計水頭為20 m、灌水小區水頭偏差為8.20 m。

2.4 管網水力計算

根據平面布置，按照最不利情況，選取典型輪灌組進行計算。

(1)毛管水頭損失計算。 按毛管上噴頭全開考慮，噴頭間距為3.5 m，毛管選最不利管長計算，根據實際情況，取毛管長L=75 m。 毛管沿程水頭損失按式(8)計算;多口系數按式(9)計算：

(8)

(9)

式中：hf為管道沿程水頭損失，m；F為多口系數；f為摩阻系數，取0.505；L為管道長度，m；Q為管道流量，m3/s；m為流量指數，取1.75；d為管道內徑，m；b為管徑指數，取4.75；N為噴頭或孔口數；x為多孔支管首孔位置系數。

經計算得，多口系數F=0.376，即最不利毛管的沿程損失hf=0.522 m。

由于毛管上出流口多，且各出流口處流速均不相同，局部損失一般采用沿程損失乘以系數k直接得到總水頭損失，取局部損失加大系數k=1.15，則可得毛管總水頭損失為Δh=0.601 m。

(2)支管水頭損失。 設計中支管選用PE管，管徑90 mm，壁厚6.7 mm，工作壓力1.25 MPa。支管流量為一個灌水單元總噴頭流量之和，根據灌區實際布置情況，最不利支管流量為28 m3/h。支管局部水頭損失按沿程水頭損失的10%考慮。支管總水頭損失為沿程水頭損失與局部水頭損失之和。

根據輸配水管網布置，最不利支管長度按186 m 考慮，經計算，支管沿程水頭損失hf=2.40 m，則局水頭損失hw支=0.1hf支=0.24 m。

因此，支管總水頭損失：Δh支=2.64 m。

(3)主(干、分干)管水頭損失。 輸水管水力計算成果詳見表2。

由表2可知,最不利水頭損失為主管、D-6#干管、支管、毛管水頭損失，最不利水頭損失之和最大值為10.0 m，遮陰棚高度為3.0 m，管道埋深為0.7 m，則微噴灌區最大工作水頭為13.7 m。高位水池A高程846.0 m，灌區地面高程為831.0 m，高位水池A高程與灌區地面高差15.0 m，扣除工作水頭后僅余1.3 m，但選取的微噴頭設計工作壓力需達0.2 MPa，即其工作水頭應滿足20 m，由此可知，自由水頭不滿足微噴灌溉工作壓力要求，需進行二次加壓設置，加壓揚程為18.7 m。

表2 輸水主、干管水力計算

3 系統首部樞紐布置

為滿足微灌區管網對水質的要求，需在輸水主管首端節點B之前修建水處理房1座，內設1套過濾設備，1套施肥設備。通過水力計算可知，考慮管道水頭損失和末端自由水壓后，需采用二次加壓的方式才可滿足葡萄園微灌系統工作要求。

二次加壓采用管道泵加壓，根據上述計算得出的加壓揚程為18.7 m，管道泵工作時間和系統工作時間一致為10 h，13.33 hm2葡萄最大日需水量為600.00 m3/d，則設計提水流量為16.67 L/s，即Q=60 m3/h，選取管道泵型號為dw80-125/2/5.5，功率5.5 kW。

根據前述微灌系統管網布置內容，微灌系統的布置為：高位水池A——1#輸水主管——過濾(施肥)設備——管道加壓泵——輸水干管——輸水支管。

(1)水處理房設計。 水處理房為單層地面式磚混結構，內設離心過濾器1套，網式過濾器1套，施肥罐1個，并在進水管上設管道加壓泵1個，兼作管道加壓泵房。配備相應配電箱、控制柜等。

(2)系統首部過濾(施肥)設備選擇。 灌溉要求：微噴灌進口壓力不小于200 kPa，滴灌進口壓力不小于100 kPa； 水質過濾精度≥120目； 微灌系統首部樞紐設備選擇見表3。

表3 葡萄微灌系統過濾(施肥)設備

4 節水效益

在實施微灌系統前，產業園主要采用手持管道進行澆灌，灌溉用水方式較粗放，造成水資源浪費較大，園區灌溉水利用系數較低，不能達到《節水灌溉工程技術標準》(GB/T 50363—2018)[2]中所要求的“管道輸水灌溉工程不應低于0.8”，結合葡萄園現狀用水量，現狀灌溉水利用系數取0.50。

實施微灌系統后，因設計了科學合理的輪灌制度，灌溉方式高效，可以實現節約用水，實施后為管道輸水，管道輸水利用系數不小于0.95，田間水利用系數取值為0.95，即產業園灌溉水利用系數為0.90[3-5]。滿足標準GB/T 50363—2018中“微灌工程不應低于0.85”的要求。

實施微灌系統前后需水量計算見表4。

表4 雙星社區綜合產業園實施微灌前后需水量計算成果

由此可知，產業園實施微灌后，理論上可實現年節水1.07萬m3，節水率高達44.58%。

5 結 語

雙星社區產業園節水配套改造的主要內容為：在園區內的水源旁新建提水泵站，提水至園區東側山腰處高位水池后，向園區內供水，園區實施微灌系統進行灌溉，主要包括微噴灌系統及滴灌系統。本文以微噴灌系統設計為例，結合葡萄種植種類選取合適的噴頭，并通過對灌溉制度、灌水定額、灌水時間、輪灌組以及灌水小區等各參數進行計算選取，使得微噴灌系統得到較為合理的布置，提高了園區用水效率。經產業園區節水配套改造前后需水量計算，實施微灌后園區每年可節約水量1.07萬m3，節水率44.58%。本項目的實施能在提高項目區群眾的經濟收入的同時促進項目區群眾在用水、管水方式上的觀念改變，在一定程度上起到了高效節水示范引領作用。